2. 흡착 조작

가) 실습 목표

1) 흡착의 원리를 이해하고 설명할 수 있다.

2) 흡착 공정을 이해하고 설명할 수 있다.

3) 흡착제의 종류와 특성을 이해하고 설명할 수 있다.

4) 흡착 조작 기능을 수행할 수 있다.

나) 준비 재료

증류수,  활성탄, 숯, 활성 알루미나, 산성 백토,  거름종이

다) 기구/기구

안전 깔때기, 삼각 플라스크, 실린더, 스탠드, 유리관, 고무관, 비이커, 집기병, 뷰렛,  열교반기(Hot plate)

라) 관계 이론

1. 흡착 원리

두 개의 서로 다른 상을 갖는 물질의 경계면에서  농도가 변화하면서 다른 물질의 표면에 붙는 현상을 흡착이라 한다. 일반적으로  고체에 의한 기체의 흡착과 액체의 흡착을 흡착이라고 한다.  흡착 공정은 용액(또는 기체)를 흡착제와 접촉시켜 피흡착제를 흡착제에 흡착시킨 뒤, 깨끗하게 된 유체를 방출하고, 남아 있는 흡착제는 재생함으로써 완료된다.

기체의 경우 흡착제에 흡착되는 피흡착제의 양은 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 커진다. 따라서 대부분의 흡착 공정은 온도나 압력을 변화시키면서 흡착과 탈착을 반복함으로 진행된다. 온도를 변화시키는 흡착공정을 온도 변화 흡착 공정(Temperature swing adsorption)이라고 하고, 압력을 변화시키는 흡착 공정을 압력변화 흡착공정(Pressure swing adsorption)이라고 한다.

흡착 과정은 다음의 3단계에 의하여 진행된다.

① 흡착제 주위 막을 통하여 피흡착제의 분자가 이동하는 단계

② 흡착제 내부의 세공(작은 구멍)을 통하여 피흡착제가 확산하는 단계

③ 흡착제의 활성 장소에 피흡착제의 분자가 흡착되는 단계

위의 3 단계는 연속적으로 이루어지는데, ②번째 단계인 세공을 통한 확산이 가장 느려서 전체의 흡착 속도를 좌우한다. 여러 단계의 과정 중 어느 한 단계가 전체 과정의 속도를 좌우하는 현상을 병목현상(bottle neck)이라고 하며, 이 단계가 속도를 결정하기 때문에 율속단계(rate determining step)라고 한다.

2. 흡착 평형(흡착 등온식)

흡착의 평형은 피흡착제의 종류, 농도, 계의 온도, 유속, 접촉 시간, 흡착제의 크기 등 여러 인자에 의하여 영향을 받는다. 이번 장에서는 온도가 일정할 때 피흡착제의 농도가 어떻게 흡착에 영향을 미치는지 살펴보고자 한다.

① Freundrich 흡착 등온식

[eqn: RMX over M ~~= ~~ K ~C ^{1 over n} ## RM X~~:~~흡착된 ~~용질의 ~~양## RM M~~:~~흡착제의 ~~양## RM C~~:~~용액의~~농도## RM K,~n: ~~상수(n>1)]

② Langmuir 흡착 등온식

[eqn: RMX over M ~~= ~~ abC over {1 + bC} ## RM X~~:~~흡착된 ~~용질의 ~~양## RM M~~:~~흡착제의 ~~양## RM C~~:~~용액의~~농도## RM a,~b: ~~상수]

Freundrich와 Langmuir 흡착 등온식에 의하면 용액의 농도가 커짐에 따라 흡착되는 용질의 양은 증가하지만 무한히 커지게 되면 어떤 값으로 수렴(Langmuir 흡착등온식)하거나 증가속도가 거의 0에 가깝게(Freundrich 흡착 등온식) 수렴하게 된다. 이와 같은 현상은 흡착제 내에는 피흡착제를 흡착할 수 있는 활성점이 유한하기 때문에 생기는 현상이다.

3. 흡착의 종류

흡착은 흡착되는 형태와 흡착력에 따라 물리 흡착과 화학 흡착으로 분류한다.

표 2-1 물리 흡착과 화학 흡착의 비교

	물리 흡착	화학 흡착
결 합 력	Van der Waals 힘	이온결합. 공유결합 등 화학결합
전자의 이동	전자 공유가 없음	전자의 이동이 있음
흡 착 열	적음(2 - 10kcal/mol)	큼(10-30kcal/mol)
흡/탈착의 가역성	비교적 쉬움(가역적)	가역적 또는 비가역적

4. 흡착제의 종류

① 활성 알루미나(activated alumina)

알루미늄을 처리하여 만든 다공성의 비결정성 물질로 흡착 능력이 뛰어나다. 표면적이 크고 충격과 마찰에 대한 기계적 강도가 높으며, 수분 접촉에도 강하기 때문에 제습제로도 많이 사용되는 흡착제이다. 포화되었을 때에는 150-250℃로 가열하면 재생하여 다시 쓸 수 있다.

② 활성탄(active carbon)

목재나 갈탄, 이탄 등을 염화아연이나 인산 등으로 처리하여 건조시키거나 목탄을 수증기로 활성화시켜 제조한다. 성분의 대부분은 탄소이며, 흡착 능력이 뛰어나서 흡착제, 탈취제, 탈색제 등으로 사용된다. 활성탄은 물리적 형상에 따라 분말, 입상, 섬유상, 허니컴상으로 분류될 수 있고, 입상 활성탄은 모양이 다른 파쇄 활성탄과 일정한 형태를 갖는 원주형 활성탄, 구형 활성탄으로 분류된다. 공업적으로 사용하는 활성탄은  표면적이 500~1500m2/g이며, 세공 용적은 0.5 - 1.0 cm3/g, 겉보기 밀도는 0.6-1.0g/cm3이다.  액상 흡착일 경우에는 기상 흡착일 때보다 피흡착제의 확산속도가 비교적 느리기 때문에 입도가 작은 입상 활성탄이나 분말 활성탄을 사용하게 된다. 흡착 능력이 뛰어나고 값도 저렴하여 산업 현장에서 많이 사용되고 있다.

③ 산성 백토

매우 작은 입자들로 구성되어 있고 높은 흡착성을 가지는 점토로서 천연에서 산출되며 주로 몬모릴로나이트((MgAl)4Si8O20(OH)4․nH2O)로 구성되어 있다. 원래 영국에서 모직물의 표백이나 지방을 제거하는 용도로 사용되었으며, 현재 원유나 지방의 정제, 탈색용 흡착제로 이용되고 있다. 산성 백토를 황산으로 가열 처리하여 흡착능력을 향상시킨 것을 활성 백토라고 하는데 산성 백토를 활성 백토와 혼용하여 쓰기도 한다.

색깔은 엷은 노란 색이며 이산화규소(SiO2, 약 65-70%)와, 산화알류미늄(Al2O3, 약 10-15%)이 주성분 물질이다.

④ 제올라이트

미세한 구멍이 있는 돌의 형태로서 결정성 알루미노 규산염(crystalline alumino silicate)을 말한다. 합성 제올라이트는  세공 크기를 제한할 수 있어 원하는 크기의 분자를 선택적으로 흡착시킬 수 있다. 흡착능력이 좋고 흡착 특성 또한 좋으나 가격이 비싼 것이 단점이다..

5. 흡착 조작

흡착 조작은 흡착탑 안에 흡착제를 넣은 다음 처리하고자 하는 원료(액체, 또는 기체)를 통과시키는 고정식 흡착과 회분식 교반 탱크 안에서 흡착제와 원료를 교반하면서 접촉시키는 회분식 흡착이 있다.  고정식 흡착의 경우 공정이 연속적으로 진행되기 때문에 대량을 처리할 수 있어서 산업 현장에서 많이 사용되고 있으며 온도 또는 압력을 주기적으로 조절하여 흡착과 탈착(재생)공정을 진행한다. 회분식 흡착의 경우 소량의 액체를 처리할 때 주로 사용되며, 흡착 과정이 종료되면 흡착제와 용액이 슬러리 형태로 있는 것을 여과 조작 등을 이용하여 분리하게 된다.

마) 안전 및 유의사항

1) 메틸렌 블루 가루가 날리지 않도록 주의한다.

2) 실습을 마친 후 환경 오염원이 되는 화학 약품은 별도의 용기에 회수하가나 폐수 처리대에 버리도록 한다.

3) 회분식 흡착 실험에서 마그네틱 바를 너무 빨리 회전시키면 용액이 튀어 나오므로 적절한 회전 속도를 유지한다.

4) 고정식 흡착 실험에는 입상의 흡착제를 사용하여 실험한다.

바) 실습 순서

1.  고정식 흡착

① 그림과 같이 흡착 장치를 조립한다.

그림  2-1 고정식 흡착 실험 장치

② 파란색 잉크(메틸렌 블루) 0.1g을 정확하게 달아 증류수 5 liter에 용해시킨다.

③ 흡착 유리관의 하부에 솜을 약 1.5cm 두께로 넣는다.

(흡착제 가루가 유리관의 입구를 막아 흐름을 방해하는 것을 방지하기 위한 것이다.)

④ 유리관의 크기에 맞게 활성탄 30~70g을 넣은 뒤 상부를 솜으로 채운다.

⑤ 먼저 증류수로 흡착 유리관 내부를 충분히 적셔 주어 채널링 현상을 방지한다.

⑥ 깔때기를 통하여 파란 용액을 주입하면서 흡착 유리관 상부의 솜이 파랗게 착색될 때까지 걸린 시간을 측정한다.

⑦ 상부의 솜이 파랗게 착색되기 시작하면 비이커를 새것으로 교환하고 정해진 시간 동안(예를 들어 5분) 탈색된 물을 받는다.

⑧ 메스 실린더로 탈색된 물의 양을 측정한다.

⑨ 같은 방법으로, 제올라이트와 산성 백토를 대상으로 실험을 실시한다.

2. 회분식 흡착

① 파란색 잉크(메틸렌 블루) 0.1g을 증류수 5 liter에 떨어뜨려 파란 용액을 만든다.

② 200ml 비이커에 활성탄 10g을 넣는다.

③ 파란 용액 100ml를 비이커에 붓는다.

④ 마그네틱 바를 비이커에 넣는다.

⑤ 가열 교반기(핫 플레이트)위에 비이커를 놓고 5분 동안 혼합시킨다.

⑥ 혼합이 끝나면 여과기로 혼합액을 거른다.

⑦ 여과액의 색깔을 기록한다.

⑧ 활성탄을 5g 넣었을 때와 15g 넣었을 경우에도 위와 같은 실험을 실시한다.

⑨ 제올라이트와 산성 백토에 대하여도 같은 방법으로 실험을 실시한다.

그림 2-2 회분식 흡착 실험 장치

사) 실습 보고서

1. 고정식 흡착

흡착제	활성탄	제올라이트	산성백토
상부솜까지 이송 시간 (분)
탈색된 액체의 양(ml)
탈색된 액체의 색깔(투명도)

(탈색된 액체의 색깔을 평가하기 위하여 여과액 시료를 버리지 말고 보관하였다가  색깔을 비교하면서 평가한다 활성탄과 제올라이트, 산성백토의 상대적인 투명도를 1,2,3 순서로서 표시하고 괄호에 서술적인 표현을 기입한다.)

2.  회분식 흡착

< 탈색된 시료의 색깔>

흡착제 혼합시간	활성탄	제올라이트	산성백토
5분
10분
15분

(여과액 시료를 버리지 말고 보관하였다가  색깔을 비교하면서 평가한다. 즉 5분

경과시의 활성탄과 제올라이트, 산성백토의 상대적인 색깔을 1,2,3 순서로서 표시하고 괄호에 서술적인 표현을 기입한다.)

아) 수행 평가

평가구분	평 가 사 항	점 수
이 해	⑴ 흡착의 원리를 이해하였는가?
	(2) 흡착제의 종류와 특성을 이해하였는가?
	(3) 흡착 평형에 대하여 이해하고 있는가?
	(4) 흡착 조작의 차이를 이해하고 있는가?
기 능	⑴ 흡착제를 보고 구분할 수 있는가?
	⑵ 흡착 조작 순서를 알고 있는가?
	⑶ 고정식 흡착 장치를 조립할 수 있는가?
	(4) 회분식 흡착 조작을 할 수 있는가?
	(5) 흡착 장치를 이용하여 물질을 흡착 분리해 낼수 있는가?

자) 평가 문제

1) 흡착 과정의 3단계를 설명하여라.

2) 흡착 평형(흡착 등온식)에 대하여 설명하여라.

3) 흡착제의 종류를 특성을 적어라.

4) 흡착의 종류에 대하여 설명하여라.

5) 고정식 흡착과 회분식 흡착을 비교하여 설명하여라.

6) 환경 오염을 처리하는 기술로서 흡착제의 활용방법에 대하여 설명 하여라.